• Monday July 15,2019

Perché abbiamo bisogno di Higgs o qualcosa del genere

Anonim

Nei commenti al post precedente, Monty pone una domanda perfettamente valida, che può essere abbreviata in: "Il bosone di Higgs è davvero necessario?" La risposta è un "sì" qualificato - abbiamo bisogno del bosone di Higgs, o qualcosa del genere. Cioè, non possiamo semplicemente prendere il modello standard così come lo conosciamo ed estenderlo a energie arbitrariamente alte senza che la fisica si avvii.

Il ruolo del campo di Higgs è quello di rompere la simmetria delle interazioni elettrodebole, come discusso qui. Pensiamo che ci sia molta simmetria alla base dell'interazione delle particelle, ma che gran parte di essa è nascosta alla nostra visione a bassa energia. In termini tecnici, la teoria elettrodebole di Glashow, Weinberg e Salam postula una simmetria "SU (2) xU (1)", che in qualche modo viene scomposta in "U (1)". Quella simmetria ininterrotta ci dà l'elettromagnetismo, una forza portata da una particella senza massa, il fotone. Le simmetrie rotte sono ancora lì, ma le loro particelle che trasportano la forza diventano enormi quando si rompe la simmetria - quelle sono i bosoni W +, W - e Z 0 .

Non c'è dubbio che qualcosa rompa la simmetria. La domanda che vale la pena di chiedere è: "Possiamo immaginare di rompere la simmetria senza introdurre nuove particelle?"


Pensiamo innanzitutto a come funziona il meccanismo di Higgs. Quello che chiamiamo il "campo di Higgs" è in realtà una raccolta di quattro campi che ruotano l'uno nell'altro sotto la simmetria. Ma è difficile disegnare un'immagine di un campo quadridimensionale, quindi considera questa immagine del potenziale di un campo bidimensionale (φ 1 e φ 2 ). Si noti che esistono due tipi di modi in cui il campo può oscillare: la direzione piatta attorno al cerchio e la direzione radiale in cui il potenziale è altamente curvo. Per il caso realistico quadridimensionale, ci sarebbero tre direzioni piatte e una radiale.

Tutte queste direzioni sono importanti. A temperature elevate nell'universo primordiale, l'Higgs rimbalza nel suo potenziale e il suo valore medio è zero (vicino all'origine). Ma a temperature più basse le cose si calmano e l'Higgs può oscillare intorno a un certo punto in quel cerchio di energia minima. Ecco un punto cruciale: le vibrazioni del campo in ciascuna direzione sono associate alle particelle e la curvatura del potenziale corrisponde alla massa della particella associata. Quindi le direzioni piatte sono particelle senza massa e la direzione radiale curva è massiccia.

Ma le particelle senza massa sono facili da produrre, quindi perché non vediamo tutti questi bosoni di Higgs senza massa? La risposta è: abbiamo! A causa delle loro interazioni con le particelle che trasportano la forza, i tre tipi di particelle che sarebbero bosoni di Higgs senza massa vengono "mangiati" dai tre bosoni W e Z, che a loro volta danno loro massa. Questo è il miracolo del meccanismo di Higgs: dove ci si potrebbe aspettare tre particelle di Higgs senza massa e tre particelle di forza senza massa, invece si ottengono solo tre particelle di forza. Quindi questo è il motivo più semplice per cui abbiamo bisogno di un campo di Higgs o qualcosa del genere: lo abbiamo già osservato, nella forma dei massicci bosoni W e Z.

E le vibrazioni radiali del campo di Higgs, quelle che hanno una grande massa? Questi sono quelli che chiamiamo il vero "bosone di Higgs", e questo è ciò che stiamo cercando agli acceleratori di particelle.

Siete invitati a immaginare una teoria che abbia le tre particelle Higgs senza massa che vengono mangiate dagli W 's e dalla Z, ma ciononostante manca del componente radiale che stiamo ancora cercando. In effetti, si può facilmente costruire una teoria del genere aumentando la massa degli Higgs, poiché la massa si avvicina all'infinito, il campo non oscilla affatto e non c'è alcuna particella corrispondente. Questo è noto nel commercio come un modello sigma non lineare. Quindi potremmo avere un modello come quello che spiega la rottura della simmetria elettrodebole e fare a meno del bosone di Higgs visibile?

No. L'argomento qui è più sottile, ma comunque ermetico. Deriva dal fatto che una versione di Higgsless del modello standard "violerebbe l'unitarietà", il che è un modo elegante per dire che darebbe previsioni prive di senso.

Pensa alla dispersione di due bosoni W. È facile usare i diagrammi di Feynman per calcolare la probabilità che due W 's che passano l'uno dall'altro si diffondano effettivamente. Il problema è che il risultato è una quantità che diventa sempre più grande man mano che l'energia aumenta, senza limiti. In altre parole, la probabilità che due W 's interagiscano diventa più grande di una! Questo non può accadere davvero.

L'Higgs viene in soccorso. Quella probabilità crescente è ciò che otterresti se considerassi solo le particelle che trasportano la forza, non l'Higgs. Ma se permettiamo l'Higgs, contribuirà anche alla dispersione di W. Il suo contributo cresce anche con l'energia, ma con il segno opposto dei fastidiosi contributi degli stessi W 's e Z ' s! Questo è il miracolo della meccanica quantistica - diversi contributi allo stesso stato finale possono effettivamente interferire l'uno con l'altro. Quindi l'Higgs può salvare i bosoni W dal risultato catastrofico di ottenere probabilità che ne sommano più di una.

Almeno, può farlo se la sua massa è abbastanza bassa da poter entrare in tempo. Eseguendo i numeri, scopriamo che la massa di Higgs deve essere inferiore a 800 GeV circa, in modo che la dispersione di W abbia senso. Questo è il motivo per cui il Large Hadron Collider è stato progettato per controllare le energie fino a 1000 GeV; è importante assicurarsi che dovremmo essere in grado di trovare Higgs. (Anche se non ci sono ancora garanzie.)

L'argomento di cui sopra è a tenuta d'aria, ma la sua conclusione è che qualcosa deve accadere prima di 800 GeV. Che qualcosa potrebbe essere il Higgs, o potrebbe essere qualcosa di ancora più esotico. È il più vicino possibile a un teorema "no-lose" in fisica: il bosone di Higgs sarà lì o qualcosa di più eccitante. Gli esperimenti avranno l'ultima parola, come tendono a fare.


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